晶体谐振器设计影响因子分析

体会产生谐振，此时受迫振动的振幅达到最大[1]，从而向外提供稳定的振动频率，既可以作为频率标准，也能提高石英晶体元器件的灵敏度与稳定性，在有线通信、无线通讯、广播电视、卫星通信、电子测量仪器、微机处理、仪表、石英钟等各种军用和民用产品中都有着广泛的使用场景与应用市场。

由于石英晶体谐振器频率的稳定性决定了石英晶体元器件的灵敏度与量程的稳定性与可靠性，因此，电子信息技术行业对石英晶体元器件的频率稳定性具有较高的要求。石英晶体工作环境的变化会导致石英谐振器频率的稳定性受到一定的影响，如环境温度、老化效应、电极、激励电平等，这些环境条件会导致石英晶体谐振器的输出频率产生波动，即频率漂移现象[2]。因此，在设计石英晶体谐振器的时候需要充分考虑输出频率稳定性的影响因素，这是提高石英晶体元器件稳定性与性能的重要内容，也符合电子信息技术行业的质量控制需求。

2 影响因素分析

石英晶体谐振器由石英晶体基片、电极、支架与外壳等组件构成，其核心是石英晶体基片，在基片的正反两面附着电极，石英晶体基片与支架之间通过导电胶相连，组成石英晶体谐振器的元件结构，其结构示意图如图1所示。

在晶体设计过程中，需要考虑较多的影响因子，以保证晶体谐振器的质量。本文从尺寸效应、压电效应、黏性效应、非线性效应四个影响因素出发，阐述了这些因素对石英晶体谐振器在设计过程中的影响。

2.1 尺寸效应

石英晶体谐振器设计过程中尺寸效应是指石英晶体基片的尺寸大小与电极的尺寸大小。在石英晶体谐振器的设计中，需要通过厚度计算频率，即厚度的剪切振动模式频率。石英晶体谐振器的振动频率通常是根据晶体的厚薄确定的，厚度是石英晶体谐振器设计中的重要参数，而长宽、半径或形状确定则很大程度上依赖于经验。如今石英谐振器晶片的二维尺寸非常接近，导致石英晶体谐振器不同的振动模式发生耦合，使得晶体设计和制作过程难度极大提高。因此，在设计石英晶体谐振器时，需要考虑到尺寸效应，计算出最佳长厚比以获得单一的工作频率，避免与其他模态的干扰耦合[3]。

2.2 压电效应

当向沿一定方向切割的石英晶体片施加机械应力时，石英晶体会发生电极化，产生与机械应力成正比的电场或电荷，该现象即正压电效应；而当石英晶体在电场作用下，石英晶体会发生变形，产生与电场成正比的形变量，该现象即逆压电效应，正压电效应和逆压电效应总称为压电效应。对于石英晶体板自由振动分析而言，由于压电耦合的系数较小，因此，在此振动分析时通常忽视压电效应。但是对于由外部激励电路带来的强迫振动分析而言，由于不同的激励电平会对石英晶体谐振器频率的稳定性产生影响，因此，在此振动分析时，需要考虑压电效应，为电子元器件的电路参数与电路设计提供基础依据。

2.3 黏性效应

随着纳米技术的飞速发展，复合石英晶体谐振器的应用也越来越广泛，复合石英晶体谐振器系统的尺寸也越来越小，其品质要求也越来越高，黏性耗散效应也越来越高。此外，在电路设计中，用户更注重石英晶体谐振器的电学参数，如品质因数、等效电容和等效电阻等，因此，在设计石英晶体谐振器时需要充分考虑到黏性效应与黏性常数，以实现谐振器的精确、精细化设计。

2.4 非线性效应

随着石英晶体谐振器应用范围的扩大，石英晶体谐振器系统向着小型化、高频化方向发展，石英晶体谐振器的尺寸越来越小，非线性效应与微尺度效应也会逐渐加强，致使石英晶体谐振器产生频率不稳定。例如在不同的激励电平下，石英晶体谐振器提供的频率稳定性较差，频率存在一定程度的波动，影响了石英元器件的工作精度与可靠性。因此，在设计石英晶体谐振器的过程中，研究谐振器的非线性效应，降低频率不稳定问题是一项重要内容。

3 结束语

本文从尺寸效应、压电效应、黏性效应、非线性效应四个因素分别探究其对石英晶体谐振器在设计过程中的影响。尺寸效应影响是指在石英晶体谐振器的设计中，需要非常准确计算厚度的剪切振动模式频率，这一频率通常是根据石英晶体基片与电极的尺寸确定的，最佳长厚比的基片与电极才会使得谐振器获得单一的工作频率，避免与其他模态的干扰耦合。压电效应影响是指不同的激励电平会对石英晶体谐振器频率的稳定性产生影响，因此，在此振动分析时，需要考虑压电效应，为电子元器件的电路参数与电路设计提供基础依据。黏性效应影响是指随着石英晶体谐振器系统的微型化，在设计石英晶体谐振器時需要充分考虑到黏性效应与黏性常数，以实现谐振器的精确、精细化设计。非线性效应影响是指石英晶体谐振器系统的微型化会使得非线性效应与微尺度效应逐渐加强，致使石英晶体谐振器产生频率不稳定。文章通过分析影响石英晶体谐振器设计过程的因素，为石英晶体谐振器提供了质量保证。

参考文献

[1] 于兰珍，邱耀，李晓东，等.石英晶体谐振器设计过程中影响因素分析[J].时代农机，2016，（12）：36-38.

[2] 吴荣兴，李继亮，于兰珍，等.陶瓷封装对石英晶体谐振器的仿真研究[J].电子与封装，2014，（07）：6-8.

[3] 刘竞业.关于高频压电石英振子动态量对机械品质因数影响的分析[J].北京化工大学学报（自然科学版），1997，（02）：100-102，106.

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